SIEMENS

Um die Effizienz von Kraftwerken zu steigern, reicht es nicht, die Turbinen zu verbessern, die durch heißes Gas oder Dampf in schnelle Drehung versetzt werden. Mindestens ebenso wichtig ist es, die Leistungsfähigkeit der nachgeschalteten Generatoren zu optimieren, die die Rotationsenergie der Turbinen letztlich in elektrischen Strom umwandeln müssen. Zu diesem Zweck hat sich Siemens im Jahr 2007 mit Forschern der Universitäten Bayreuth, Freiburg und Dortmund sowie der Infineon Technologies AG, der Leoni AG, einem Kabelhersteller, und der Nanoresins AG, einem Nanopartikel-Lieferanten, zusammen getan. Der Name des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts: Nanotechnologie im Isoliersystem für innovative elektrische Anwendungen – kurz NanoIso. Die Grundidee ist einfach: Wenn bei einem Kraftwerk die Turbinen erneuert werden und mehr Leistung bringen, müsste man eigentlich auch den Generator gegen ein größeres Modell austauschen – was aufwändig und teuer ist. Es ginge allerdings auch anders: Wenn man die elektrischen Leiter in seinem Inneren gegen solche austauscht, die mehr Strom tragen können, dann steigt die Leistung ebenfalls, und man muss nicht den ganzen Generator ersetzen. Doch hier steckt der Teufel im Detail: Ein Generator besteht aus einem Rotor und einem Stator. Der Rotor ist ein stabförmiger, stromdurchflossener Magnet, der sich, angetrieben durch die Turbine, dreht. Der Stator beinhaltet aus Kupferstäben aufgebaute Spulen, die den Rotor umgeben. Durch die Drehbewegung des Rotors wird im Stator eine elektrische Spannung induziert, so dass Strom fließt.

Wenn nun die Kupferstäbe eine höhere Leistung aufnehmen sollen, müssen sie dicker werden. Da aber zugleich der zur Verfügung stehende Raum nicht größer wird, bedeutet dies zugleich, dass die Isolierschichten, die die Kupferstäbe umgeben, dünner werden müssen – sie müssen also wesentlich besser gegen elektrische Durchschläge isoliert werden als bisher. Genau dies ist der Kern von NanoIso: Die Wissenschaftler entwickeln neuartige Isolationsmaterialien mit Nanopartikeln. Dadurch können die Isolationen dünner, die Leiter dicker, und die Generatoren effizienter werden.

Widerstand im Nanobereich. Bei den Drehbewegungen des Rotors entstehen zwischen den Kupferstäben des Stators Spannungen bis zu 27.000 Volt. Dies führt zu einer Ionisation der Luft und Teilentladungen – kleine Blitze, die die Isolation zerstören. Es entstehen Erosionskanäle, die sich durchs Material fressen und zum Kurzschluss führen können. Um dem vorzubeugen, wird heute Glimmer in das aus Kunststoff bestehende Isolationsmaterial integriert. Dank der fünf Mikrometer dünnen, und bis zu mehrere Millimeter langen Gesteinsplättchen müssen die Erosionskanäle einen Umweg nehmen, es dauert also länger, bis sie das Metall erreichen. Wegen des Glimmers muss die Isolierung jedoch einige Zentimeter dick sein – Platz, der auf Kosten der Kupferleiter geht.

Bei NanoIso integrieren die Forscher zusätzlich zum Glimmer Schichtsilikate in die Isolation, die nur einen Nanometer klein sind. Sie wurden in Kooperation mit der Uni Freiburg entwickelt. Da die Partikel im Verhältnis zu ihrem Volumen eine riesige Oberfläche besitzen, leisten sie den Erosionskanälen noch mehr Widerstand. „Unsere Laborversuche zeigen, dass Nanopartikel die Widerstandskraft gegen Teilentladungen um bis zu einem Faktor zehn verbessern“, erklärt Dr. Peter Gröppel von Siemens Corporate Technology.

Bis es aber zu einem Serieneinsatz kommen kann, ist noch viel zu tun. Während die Wissenschaftler in Freiburg die Wechselwirkungen zwischen Isolierkunststoff und Nanopartikel genau unter die Lupe nehmen, befasst sich die Universität Dortmund mit der Lebensdauer der neuen Isolationen. In Bayreuth wird untersucht, wie die Nanopartikel am besten verarbeitet werden können, und bei Siemens fließen all diese Erkenntnisse zusammen. Die Forscher nutzen sie, um eine Isolierung zu entwerfen, die den verschiedenen industriellen Ansprüchen, wie etwa einer schnellen und unkomplizierten Fertigung, gerecht wird. Der nächste Schritt zum effizienteren Generator ist der Einbau von Kupferleitern, die mit der neuen Isolierung ausgestattet sind.

Den dazu nötigen Generator wird der Energieversorger RWE zur Verfügung stellen. Bei einem der nächsten Kraftwerke, die aufgerüstet werden müssen, wird der Generator dann, anstatt ihn aufwändig auszutauschen, mit der neuen Technik erneuert. „Noch wissen wir nicht, welches Kraftwerk es sein wird“, führt Gröppel aus. Aber er ist sich sicher, dass die in dem gemeinsamen Forschungsprojekt gewonnenen Erkenntnisse in ein paar Jahren dazu beitragen, dass Kraftwerke noch energieeffizienter betrieben werden können.